高烈度地震區巖土體邊坡崩塌動力學特性研究①

楊慶華，姚令侃，邱燕玲，劉兆生

（西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031）

高烈度地震區巖土體邊坡崩塌動力學特性研究①

楊慶華，姚令侃，邱燕玲，劉兆生

（西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031）

“5·12”汶川特大地震引發的次生山地災害中以山體崩塌數量最多。本文在對國道213線都江堰至映秀段以及水磨支線公路邊坡地震崩塌調查研究的基礎上，分析總結了巖土體邊坡的崩塌成災模式、崩塌作用機理以及崩塌自組織臨界（SOC）動力學特性。調查范圍包括Ⅸ～Ⅺ度地震區，工點105個。對崩塌體方量、崩塌深度進行統計分析后發現，在Ⅸ度區崩塌體方量和崩塌深度都符合負冪律分布，呈現出明顯的自組織臨界動力學特性；而Ⅹ、Ⅺ度地震區不呈現該崩塌特性，其崩塌動力學性質受地震的強擾作用控制。

高烈度地震區；汶川特大地震；巖土體邊坡；崩塌；動力學特性；自組織臨界性

Abstract：Among the secondary mountain disasters triggered by the"5·12"Wenchuan great earthquake，most were collapses of rock and soil slope.Based on the field investigation along State Road G213from Dujiangyan to Yingxiu and its Shuimo branch road，the collapse disaster mode，failure mechanism and self－organized criticality（SOC）dynamical characteristics of rock and soil slope are analyzed and summarized in detail.The investigation area coversⅨ，Ⅹ，Ⅺseismic intensity zones，and collapse site numbers are 105.By statistical analyzing the volume and depth of the collapses，it is found that inⅨzone volumes and depths of collapses obey negative power law distribution，display self－organized criticality（SOC）dynamical characteristics，but inⅩ，Ⅺzones the collapse dynamical characteristics does not show self－organized criticality，it is controlled by earthquake intensity.

Key words：High seismic intensity area；Wenchuan great earthquake；Rock and soil slope；Collapse；Dynamical characteristics；Self－organized criticality（SOC）

0 引言

巖土邊坡地震滑動與崩塌是常見的地震災害之一，特別在山區和丘陵地帶地震誘發的巖土邊坡崩滑往往分布廣、數量多、危害大。汶川“5·12”強震誘發了嚴重的山體邊坡崩滑災害，據初步統計地震中共觸發了15 000多處滑坡、崩塌、泥石流地質災害，估計直接造成2萬多人死亡［1］。研究發現，地震動力作用觸發的邊坡崩滑災害的影響因素包括地震烈度、發震控制構造、邊坡體巖性、水的作用、地形地貌、邊坡坡度及相對高差、地震動強度和持時等［2］。

在地震動力作用下邊坡崩滑研究上，國內許多學者取得了可喜成果。周維垣［3］認為地震等動荷載對巖質邊坡的穩定影響主要表現在地震波通過巖層面及巖體結構面時發生的反射及折射作用導致的超壓增大及地震荷載與其他因素（水的作用）對邊坡體的共同破壞兩個方面；張倬元等［4］認為地震對邊坡穩定性的影響表現為累積效應和觸發效應兩個方面；胡廣韜［5］等提出了邊坡動力失穩機制的坡體波動振蕩加速效應假說；毛彥龍等［6］認為地震動對滑坡形成的影響主要是通過坡體波動振蕩來產生，在邊坡巖土體變形破壞過程中產生3種效應：累進破壞效應、啟動效應和啟程加速效應；祁生文等［7］認為地震邊坡的失穩是由于地震慣性力的作用以及地震產生的超靜孔隙水壓力迅速增大和累積作用兩個原因造成的；杜曉麗［8］認為地震動力作用下邊坡巖體的崩滑破壞是受地震波拉剪共同作用的結果，其破壞程度與巖體力學參數、結構面空間展布等有著密切的關系。除了對地震崩滑的內在動力學方面的研究，地震學家、地質工程學家從地震與崩滑災害的統計分析入手，對許多倍受關注的問題如：地震震級、地震烈度及地震其它參數與地震崩滑的關系、地震引起的崩滑分布、地震崩滑與地質條件等，做了大量的研究工作，也取得了一定的研究成果［9－10］。

“5·12”汶川地震中大部分的崩塌、滑坡災害都體現為淺表面動力過程，但又確實存在諸如大光包滑坡、王家巖滑坡、東河口滑坡等特大型的災害現象。這些規模差異巨大的災害在空間、能量之間是否仍存在著某些確定性的分布規律？巨型崩滑災害和小規模坍滑現象是否遵從不同的形成機理？這些基本問題都需要得到更深物理層面的解釋。

自組織臨界性（Self－organized Criticality）理論是當代非線性物理學中的前沿理論。它是Per Bak等人為解釋無序的、非線性復雜系統的行為特征提出的新概念［11］。這類系統包含著眾多的發生短程相互作用的組元，并自發地向著一種臨界狀態進化。在臨界狀態下小事件引起的連鎖反應可能對系統中大量數目的組元發生影響，從而導致大規模事件的發生，這時所有的時空關聯函數都是冪次（Powerlaw）的，故冪律可以作為自組織臨界性（SOC）的證據。SOC理論首先在地球物理學領域形成研究熱點，如於崇文院士認為崩塌的動力學機制是一種連鎖反應（chain reactions）或“分枝過程”（branching processes），并以完整和獨立的命題提出了“固體地球系統的復雜性與自組織臨界性”［12］。

山地災害系指滑坡、崩塌、泥石流（含邊坡失穩）等災害，它們都屬于邊坡物質主要在重力作用下失穩的一種地表過程，它們的共同特征是能量的耗散是以邊坡物質失穩下滑實現的。我們已發現降雨擾動下邊坡重力作用類地表過程所形成的堆積地貌單元的規模與頻率之間服從分形關系，提出SOC是重力地貌分形特征形成機制的觀點；此外又利用離心模型開展了地震擾動下的沙堆模型實驗，發現邊坡堆積體（按照重力相似準則高度達20.4m），在用擬靜力法方式模擬地震力的擾動下，仍能依靠自組織作用保持系統的魯棒性，邊坡崩塌的動力學特性可以用冪律描述［13－16］。

1 研究區概況

“5·12”汶川大地震后，我們對強震區域的公路邊坡進行了現場踏勘，主要包括國道213線紫坪鋪—汶川段三級公路、都江堰—映秀高速公路、映秀—汶川二級公路，此外還包括213線水磨支線、映秀鎮城區道路、紫坪鋪水利樞紐重載公路等。本文介紹的主要是國道213線都江堰至映秀段以及水磨支線的公路邊坡震害調查情況。該區域位于四川盆地西北側，龍門山地中南段，海拔一般在1 000～3 000m，地勢自西北向東南傾斜。岷江干流至北向南過漩口后折向北東流經該區域。該區域覆蓋層以粘性碎塊石土、漂卵礫石土為主；基巖以砂巖、砂頁巖夾煤層、灰巖為主，強風化層3～15m。區內斷裂基本構造格架為龍門山構造帶，安縣—灌縣斷裂；茅亭、龍溪斷裂；發育斷裂主要有：平武斷裂—茂汶斷裂、北川—映秀斷裂、壽溪河斷裂、紙廠溝斷裂。主要公路為國道213線，為三級公路，全長32km。從都江堰到馬鞍石隧道進口為繞紫坪鋪大壩繞壩公路，2003年建成運營。從馬鞍石隧道出口到映秀為2005年竣工修建的三級路。公路抗震設計按場地基本烈度為Ⅶ度考慮。調查區示意如圖1所示。

圖1 研究區概況Fig.1 The general situation in the study area.

國道213線都江堰至映秀段沿線場地地震烈度分布有Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度，水磨支線場地位于汶川—映秀斷裂與安縣—灌縣斷裂之間相對穩定的地塊上，區內無控震、發震斷裂，無強震發生記錄，場地烈度受外圍強震影響，基本烈度為Ⅸ度。

我們的調查以東面平原和山區交界處為起點，向西沿岷江河谷逆流而上，直至發震斷層，包括了Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度四個地震烈度區，震中距均在20km里范圍內。工作內容有對震區公路邊坡工程震前相關資料的收集；震害調查包括成災模式的判別、變形測量以及震害成因分析等；以及關于震后修復搶通措施的記錄等。

2 崩塌類型與成災模式

2.1 巖質邊坡

（l）崩塌性滑坡：在震中區以及位于龍門山中央大斷裂區域，地震造成山體大規模崩塌，通過崩塌山體的路基、橋梁和隧道洞口被崩塌物質掩埋。該災害類型在G213都江堰至映秀段最為突出，路基被崩塌性滑坡群掩埋（圖2）。在其他處于龍門山中央大斷裂的區域，發現相當多的堰塞湖也是由崩塌性滑坡所致。

圖2 213國道K1019～1020處崩塌性滑坡Fig.2 Collapse－landslide at K1019～1020on G213highway.

（2）崩塌：邊坡崩塌普遍發生于地震區及地震影響區巖質高邊坡，地震造成巖土體結構面張開，巖土體松動，部分巖塊已經沿著結構面垮塌，但仍有大量巖塊停留在邊坡上，穩定性很差，稍有擾動極有可能再次崩塌（圖3）。

圖3 213國道K1031＋450處砂巖崩塌體Fig.3 Sandstone collapse at K1031＋450on G213highway.

（3）落石：落石是總體穩定性較好的巖質高邊坡個別危巖順結構面垮塌。汶川地震極震區建構筑物和崩滑體的破壞特征表明，極震區除遭受過強烈的地震豎向作用力外，還遭受過強大水平力的作用。強大的水平作用力使極震區絕大多數高位崩滑災害均呈現出臨空拋射的動力特征，多處重達數十、數百噸的巖塊已被臨空拋射達數十米甚至數百米。其中最具代表性的為汶川地震震中區映秀鎮一重約300 t的塊石，從G213公路內側坡體陡壁頂部直接臨空拋射到公路外側，其水平拋射距離達61.9m，豎直下落高度64.4m（圖4）。

圖4 震中映秀的巨大落石Fig.4 Huge rock falling at epicenter Yingxiu town.

2.2 基覆邊坡（基巖與厚覆蓋層）

（1）崩坡積體

崩坡積體斜坡自然坡度一般在30°～50°之間，巖性以硬塑狀含亞黏土和中密狀含黏性土碎石、塊石為主，崩坡積層厚一般在2.0～25.5m。崩坡積體下伏基巖，基巖上部分布全～強風化晶屑凝灰巖，節理、裂隙非常發育，巖體呈塊石、碎石狀鑲嵌結構，巖體穩定性和整體性很差。地震作用下破壞表現形式為表層局部破壞，后部坍滑覆蓋。其危害程度很嚴重，崩塌掩埋支擋防護結構；崩塌覆蓋下部線路（圖5）。

圖5 213國道K1021＋270崩坡積體Fig.5 Debris deposit at K1021＋270on G213highway.

（2）殘坡積體

殘坡積體是一種巖、土混合體，由巖石經劇烈的地質構造作用和風化作用而形成。從本質上講，殘坡積土是一種非均質材料，但其力學性質及應力－應變本構關系卻呈現出明顯的連續介質材料特性。地震作用下破壞表現形式為表面局部坍滑，破壞深度一般小于1m。其危害程度嚴重，溜滑方量小，分布面積大，線路清理難度大（圖6）。

圖6 213國道K 1017＋300處殘坡積體Fig.6 Dilapidated and residual soil at K1017＋300 on G213highway.

（3）滑坡堆積體

滑坡堆積體地震破壞也是常見的山地次生災害。堆積體中分布有一定數量的剪裂面，在空間上分布不連續，沒有發現統一的滑裂面或剪裂帶存在。堆積體微觀結構大體上可以劃分為非定向性的松散結構、樹枝狀結構和粒狀堆積結構，以及定向性的線型擦痕結構和礦物定向排列結構。破壞表現形式為表層局部破壞，整體穩定，沒有發現老滑坡復活的證據。其危害程度不嚴重，較少方量掉落到線路（圖7）。

圖7 國道213K1032＋850處滑坡堆積體Fig.7 Accumulation landslide at K1032＋850 on G213highway.

（4）沖洪積體

由泥灰巖等組成的沖洪積體，塊碎石土中泥質含量較高，塊石含量較多，風化較強，分選性差，結構較緊密，由斜坡至坡頂平臺洪坡積體厚度呈增大趨勢。沖洪積體在地震作用下破壞表現形式為坡面局部破壞，整體穩定；較少方量掉落到線路；危害程度很小，分布區域為河流兩岸的邊坡，在震中及近震區未發現整體破壞（圖8）。

圖8 213國道K1030＋350處沖洪積體Fig.8 Diluvial deposit at K1030＋350on G213 highway.

3 崩塌體方量和深度研究

3.1 研究方法與數據來源

通過對國道213線都江堰至映秀段以及水磨支線的巖土體邊坡崩塌災害點調查，著重對崩塌體方量和崩塌深度進行了統計分析，其中，崩塌方量、深度數據來源主要有：

（1）災后搶險現場的統計估算量；

（2）震后現場測量。地震過后經過一個半雨季的沖刷作用（1年后），崩塌床面極度松散物質已基本被沖刷干凈，裸露出較完整的崩塌床面。根據崩塌結構面形狀將其崩塌床面劃分為無數的網格，依據1：2000地形圖，現場利用全站儀對每個崩塌體網格長度、深度、高度進行測量。最后再根據測量的崩塌體床面坐標值由計算程序生成崩塌體數字圖形（圖10），計算出崩塌體方量。

（3）根據原有國道213線的公路邊坡防治工程圖紙，對錨桿護坡的工點震后裸露的錨桿長度估算崩塌體深度，再利用測距儀測量崩塌體的長度和高度，由此計算所得。

圖9 213國道K952＋773處崩塌體數字圖形Fig.9 Digital map at K952＋773on G213highway.

3.2 分析結果及解釋

調查區范圍包括Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度地震區，水磨支線全段屬于Ⅸ度地震區。共調查巖土體邊坡崩塌工點數目105個，其中Ⅸ度地震區61個，Ⅹ度地震區29個，Ⅺ地震區15個。本文著重對崩塌體方量和崩塌體深度與地震烈度關系進行分析。

3.2.1 塌方量

所有調查區105個工點的崩塌體方量統計見圖10（a）；平均崩塌方量達989.9m3；崩塌方量按從大到小的規模排序，在雙對數圖上作圖，見圖10（b）。

從圖10（b）可看出，調查區Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度地震區崩塌方量與崩塌工點數目在雙對數圖上近乎一直線關系，在數學上這意味著它們之間存在負冪律關系，擬合方程為

其中，x表示大于某一崩塌規模的崩塌點數目；y表示崩塌方量。

圖10 崩塌工點數與崩塌方量的統計和雙對數圖Fig.10 The statistical diagram and logarithmic curve for collapse site numbers and cubic metres of collapses.

圖11 不同烈度區崩塌工點數與崩塌方量統計Fig.11 The statistical diagrams of collapse site numbers and cubic metres of collapses in different seismic intensity areas.

分別對Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度地震區調查的崩塌體方量進行統計，見圖11。再將各地震烈度區崩塌方量按從大到小的規模排序，在雙對數圖上作圖，見圖12。

從整個調查區域的崩塌方量結果來看（圖11（b）），高烈度地震區巖土體邊坡崩塌呈現明顯的自組織臨界崩塌動力學特性，與於崇文院士提出的地質作用的演化過程是自組織臨界過程的結論一致［12］。從各個烈度區域來看，Ⅸ度地震區崩塌工點與崩塌方量雙對數圖擬合方程相關系數R2值達到了0.963 9，說明崩塌方量呈現較為明顯的自組織臨界動力學特性，是邊坡在地震動作用下的主動調整，屬于臨界狀態下的觸發效應；而Ⅹ度地震區相關系數R2值為0.894，具有近似自組織臨界特性，處于從自組織臨界性向地震強擾動作用破壞的過渡狀態；Ⅺ度地震區相關系數R2值僅為0.792 1，說明對崩塌規模起主導作用的是地震的強擾作用而非自組織作用，已不再表現出顯著的自組織臨界動力學特性，是破壞的累積效應和觸發效應共同作用的結果，即先在強地震動的作用下造成巖土體結構的松動變形使其處于臨界狀態，繼而再通過觸發效應成為中大規模的崩塌破壞。

3.2.2 塌方深度

調查中還發現不同崩塌體的崩塌深度也存在很大區別，對調查的所有崩塌體崩塌深度按3.1節方法進行統計，見圖13（a）?？闯霰浪疃纫泊嬖诿黠@的自組織臨界動力學特性。從各烈度區來看，在Ⅸ度地震區調查的61個崩塌體中崩塌深度在0.5m以下的占了27個，0.5～1.0m的占了15個，1.0～2.0m的占了11個，2.0～5.0m的占了4個，5.0～10.0m的占了3個，10.0m以上僅占1個，其平均崩塌深度達1.2m；在Ⅹ度地震區29個崩塌體中崩塌深度0.5 m以下占2個，0.5～1.0m的占了8個，1.0～2.0m的占了13個，2.0～5.0m的占了5個，5.0m以上占1個，其平均崩塌深度達1.5m；在Ⅺ度地震區15個崩塌體中崩塌深度0.5m以下占2個，0.5～1.0 m的占了3個，1.0～2.0m的占了7個，2.0m以上占3個，其平均崩塌深度達2.1m。

圖12 不同烈度區崩塌工點數與崩塌方量雙對數圖Fig.12 The logarithmic curves of collapse site numbers and cubic metres of collapse in different seismic intensity areas.

圖13 不同烈度區崩塌工點數與崩塌深度雙對數圖Fig.13 The logarithmic curves of collapse site numbers and depthes of collapses in different seismic intensity areas.

調查區所用崩塌工點數與崩塌深度在雙對數圖上擬合方程為

其中，x表示大于某一崩塌規模的崩塌數目；y表示崩塌體深度。

調查區Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度地震區崩塌深度與崩塌數目在雙對數圖上作圖，見13（b）、（c）、（d）。Ⅸ度地震區崩塌工點與崩塌深度雙對數圖擬合方程相關系數R2值達到了0.973，而Ⅹ度地震區相關系數R2值為0.874 7，Ⅺ度地震區相關系數R2值僅為0.804 5?；镜玫脚c崩塌方量一致的結論。

在Ⅺ度地震區調查統計發現呈現中大崩塌規模的崩塌數目居多，基本有三分之二的山體面積出現了“山剝皮”的現象，很難從中找出一些具體的崩塌工點，因此Ⅺ度地震區的崩塌方量和深度基本全是中大規模的統計數據，在雙對數圖上不會明顯存在負冪律分布。與Ⅸ、Ⅹ度地震區相比，Ⅺ度地震區的崩塌特性完全受地震強烈的震動作用控制，而非系統內部的自組織作用。

4 地震波對巖土體變形崩塌破壞的作用機理

地震以波的形式在巖土體介質中傳播，具有周期性，地震波分壓縮與剪切波－縱波、橫波和表面波，其中以表面波的振幅最大，破壞能力最強。巖土體傳播地震波時，在同一時刻地震波傳播方向上各部位必處于壓縮、拉伸或左旋、右旋剪切中；隨著地震時間的延續，每個部位都經受周期性拉壓或剪切［5］。

（l）地震壓縮波作用于巖土體結構的變形破裂。在水平地震壓縮波作用下，巖土體可以形成結構面張開，細小顆粒下墜，大結構體上抬。水平振動下細顆粒下沉而粗顆粒上浮的現象就是振動效應，可以使巖土體在水平和垂直兩個方向上的結構疏松化即變形破裂。

（2）地震剪切波作用下巖土體結構的變形破裂。對于分離巖土體來說剪切作用下結構面僅有發生相對錯動可能。而結構上單純的剪切雖不能形成張開，但脆性巖土體的剪切錯動都伴隨著擴容即拉張。結構面很少是平滑的，一般都具有不同級別、不同類型的起伏；在起伏的表面若有剪切錯動，便出現爬坡；只要爬坡后結構面上都會產生剪脹。問題的實質在于結構面剪切應變能否累積起來成為剪切位移。

（3）山體臨空面的變形破裂效應。越接近山體臨空面，結構體分離程度越高，地應力越小，分離體可位移性越強，結構面越容易開張。臨空面附近的巖土體受到震動后瞬時抗力減少，容易產生滑動破壞，這與振動反應的垂直向和水平向放大效應也是相聯系的。

（4）多期次震動的變形破裂效應。歷史上多期次震動或者是主震余震各次地震作用下的變形破裂不僅僅是復合與疊加，更重要的是每次變形破裂以同等變形破裂機制模式發生、發展或延續而加劇，以致最終破壞失穩。這在震區調查時可見到節理錯動方式的統一性、地裂縫的等間距性等。

地震力的作用將直接導致邊坡應力場的瞬時改變，這種變化其實是一個動態過程，也就是說邊坡處于一個不斷變化的應力場當中，其變化不但是量值上的反復調整，而且方向上也是正負交替反復變化。其中拉動和剪動應力的正負交替反復作用，是導致邊坡震裂變形破壞的重要控制因素。

5 結論

（1）高烈度地震區巖土體邊坡崩塌成災模式主要分為巖質邊坡崩塌和基覆邊坡（基巖與厚覆蓋層）崩塌。其中巖質邊坡崩塌包括崩塌性滑坡、崩塌、落石3種成災模式；基覆邊坡包括崩坡積體、殘坡積體、滑坡堆積體、沖洪積體崩塌4種成災模式。

（2）研究區調查發現，在高烈度地震區巖土體邊坡崩塌整體上呈現出自組織臨界動力學特性，其中在Ⅸ度地震區崩塌方量與崩塌深度呈現較為明顯的自組織臨界動力學特性，是邊坡在地震動作用下的主動調整，屬于臨界狀態下的觸發效應；而Ⅹ度地震區為具有近似自組織臨界特性，處于從自組織臨界性向地震強擾動作用破壞的過渡狀態；Ⅺ度地震區對崩塌規模起主導作用的是地震的強擾作用而非自組織作用，已不再表現出顯著的自組織臨界動力學特性，是破壞的累積效應和觸發效應共同作用的結果，即先在強地震動的作用下造成巖土體結構的松動變形使其處于臨界狀態，繼而再通過觸發效應成為中大規模的崩塌破壞。

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Research on Dynamical Characteristics of Collapse of Rock and Soil Slope in High Seismic Intensity Areas

YANG Qing－hua，YAO Ling－kan，QIU Yan－ling，LIU Zhao－sheng
（School of Civil Eng.，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

TU457

A

1000－0844（2011）01－0033－07

2009－10－20

國家重點基礎研究計劃（973計劃）（2008CB425802）

楊慶華（1976－），男（漢族），四川渠縣人，講師，博士研究生，主要從事道路與鐵道工程防災減災理論技術方面的研究工作.